氢气的提纯方法研究（一）

关于氢气生成技术的技术考量

为气相色谱和气相色谱/质谱应用提供载气的氢气发生器利用多项技术提供高纯度氢气。本文将探讨各种氢气提纯方法。前 3 种方法结合使用 PEM（质子交换膜）和多种提纯技术，第 4 种方法使用综合钯电解槽。

PEM/钯扩散

钯薄膜氢气提纯器利用压力驱动跨钯薄膜扩散原理工作。只有氢气能够扩散穿过钯扩散器。钯扩散器款式多样，包括管、螺旋管或薄膜箔阵列。钯扩散器由钯银合金材料制成，该材料在加热到标称 300ºC 以上时具有只允许单原子氢穿过其晶格的独特属性。与钯薄膜表面接触的氢分子离解为单原子氢并穿过薄膜。在钯薄膜的另一侧，单原子氢重新组合为双原子氢。

PEM/钯扩散过程

特点与优势

       • 超高纯度氢气，几乎无水分或氧气携带。纯度超过 99.99999%。
       • 无需例行维护。 
       • 提纯器中钯扩散器的预计正常使用寿命约为 5 年，取决于具体应用以及使用情况（来源： http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html）

问题

       • 使用钯银合金时，意外断电会对扩散器造成无法逆转的损害。
       • 钯银合金会吸收氢气，导致体积增加或变形变脆。
       • 如果扩散器因孔洞而破裂，对此进行维修无经济优势。
       • 在氢气存在时保证钯薄膜不冷却对于延长使用寿命至关重要。即使提纯器短时间内在最佳工作温度范围外运行，也会使其耐用性下降。
       • 氢气进入扩散器“提纯”侧后，需定期清理电解槽“未提纯”侧遗留氢气（仍包含氧气和水分等杂质）。这样可以确保有充足数量的氢分子可进行跨钯薄膜传递，以便维持扩散器效率。这一过程非常复杂，如果系统设计不佳，会使扩散器输出压力/流量产生脉冲效应。
       • 反应在超高温度下进行，该过程中出现任何火源都非常危险，由此会引发安全顾虑。用于驱动加热器盒的电流在此温度下非常危险，如果发生任何问题都有可能产生明显电弧。
       • 需要更换提纯器中的钯薄膜，更换间隔约为 5 年。
       • 推荐使用备用电解槽消除停机时间。
       • 碳排放量更大，因为需要用电将钯合金加热至工作温度。

钯电解槽/提纯器综合系统

采用金属钯阳极，由于水无法有效传导电流，因此添加强水溶性电解质，通常使用 20% 的氢氧化钠 (NaOH)。钯管束作为阴极，只有氢及其同位素能够穿过阴极，生成超高纯度氢气。

钯电解槽/提纯器综合系统